石圪臺選煤廠煤質檢測技術的研究與應用

白 龍，谷 林，李文利，周瑞通

(國能神東煤炭集團有限責任公司洗選中心，陜西 神木 719315)

0 引言

煤炭作為一種化石能源，是由古生物的遺體深埋地下經過長期的地殼作用以及相關物理化學作用，最終形成的一種混合物。由于特殊的形成過程和賦存條件，煤層大多被巖石或泥土覆蓋，甚至煤層內部也會出現巖石(以下稱為矸石)層。所以大多數情況下礦井開采的原煤混有矸石，且原煤含矸率不穩定，導致煤炭質量下降，不能滿足用戶需求，造成運輸過程中無效費用的增加，煤矸石中硫分富集，燃燒過程中還會造成環境污染，所以國家要求各大型礦井配套選煤廠，從而提高煤炭質量，穩定煤質。

對選煤廠而言，礦井原煤的矸石含量對選煤廠的提質、穩質影響較大，矸石含量的多少直接體現為灰分的高低，而影響最終商品煤質量的直接因素是灰分，灰分越高發熱量越低，煤質越差；灰分越低發熱量越高，煤質越好，所以對商品煤灰分的檢測是檢測選煤廠產品質量最直接的手段。煤炭灰分的檢測目前主要采用完全燃燒和在線檢測2種方式，完全燃燒的方式需要機械或者人工采樣、制樣，檢測時間長、勞動工作量大、結果具有滯后性、指導生產作用較差，特別是人工采樣誤差大。在線檢測不僅可以采用直接檢測還可以增設自動采樣環節，具有能夠實時顯示和傳輸檢測結果，檢測速度快的特點，能夠更好地用于指導生產[1-2]。

1 存在問題

石圪臺煤礦原煤采樣點主要在工作面進行，受到樣品數量、原煤粒度組成、采樣人員責任心、采樣點的選取、各個工作面的開采比例等因素的影響，原煤原有采樣方式數據偏差較大，不能反映原煤的真實煤質變化情況，加之其數據存在一定的滯后性，導致選煤廠無法根據原煤煤質情況進行生產工藝調整，嚴重影響最終的商品煤煤質，而且操作過程中存在一定的安全隱患。因此考慮在選煤廠生產系統中加裝原煤采制樣系統，提升原煤煤樣的代表性，為選煤廠提供真實可靠的原煤煤質數據[3]。

石圪臺選煤廠的產品主要有混煤和精煤2種，產品獨立運輸至產品煤倉，可以實現獨立進倉存儲，裝車過程中通過倉下給煤機進行配煤，最終裝車系統外運一種混煤。針對分煤種產品在設計初期配套了采樣機和在線測灰儀，但是因采樣鏟采樣存在撒煤嚴重、膠帶輸送機密封不嚴、破碎機堵塞等問題，造成系統不能正常使用。對裝車系統而言，配套了相應的自動采樣機，保證了樣品的代表性，但是缺少在線測灰系統，目前主要采用機械制樣后人工進行化驗的方式檢測灰分，特別是快灰的檢測，由于每列車都要進行采樣化驗，人工勞動工作量大、效率低下，而且檢測結果滯后，一般得至少1 h，而選煤廠裝車系統一列車的裝車時間為1 h左右，等快灰結果出來的時候，裝車已經完畢，不能起到及時指導配煤的作用[4]。

為了提高檢測結果的及時性用于指導生產，需要設置在線檢測系統，同時為了提高煤炭樣品的代表性，不影響礦井及選煤廠的正常生產，保證生產系統的正常運行，還需要完善自動采樣系統。

2 原煤采樣系統

對原有煤炭采樣和檢測存在問題，石圪臺選煤廠先后研究應用了針對原煤系統、分煤種上倉系統、裝車系統的在線采樣和檢測系統。

2.1 采樣點的選擇

根據選煤廠的生產工藝以及采樣代表性要求，選擇在選煤廠篩分車間的原煤配篩刮板機上進行原煤取樣，尤其在設計有原煤檢查篩分工藝的選煤廠，原煤配篩刮板機中的物料粒度一般能夠控制在200 mm以下，因此對后續設備的選型及運行影響相對較小，同時考慮到原煤樣品的代表性問題，在刮板機中采樣，可利用刮板機的連續輸料形式采取斷面。

2.2 工藝流程

原煤采樣系統采用的工藝流程為：在原煤配篩刮板機底板開設寬度1 m的放料口，配套電動液壓閘板控制放料口的開關，在放料口的下方設置了緩沖溜槽，緩沖溜槽下方配套分級破碎機，在緩沖溜槽和分級破碎機之間設置控制液壓閘板，用于控制分級破碎機的入料速度，分級破碎機的產品經過縮分之后得到化驗樣和棄樣。棄樣直接經過溜槽落入下方的末煤刮板，化驗樣一份送檢測公司檢測，一份作為備查樣保存[5]。

2.3 工作過程

2.3.1 啟動前準備工作

啟動前應檢查各設備的單體供電及運行情況，確保設備運行正常；檢查緩沖溜槽液壓插板及刮板機放料液壓插板是否處于關閉狀態；檢查各單體設備內有無異物、堵料等現象以及樣品桶是否就位[6]。

2.3.2 運行過程

運行時要做到：①通知調度室開啟破碎機，通過觀察口檢查破碎機是否運行正常。②詢問調度室原煤膠帶機的過煤量，通過調整配篩刮板機上的其他插板保證取樣刮板機的過煤量達到系統正常生產時的要求，并且保證煤量均勻。③迅速打開刮板機液壓插板，并立即關閉，此處可通過觀察緩沖溜槽內的實際煤量進行插板的開關操作。④在確認刮板機液壓插板關閉后，緩慢打開緩沖溜槽液壓插板，使緩沖溜槽內的原煤逐步進入破碎機進行破碎。⑤縮分過程中要注意通過觀察口檢查破碎機的破碎情況、縮分器的縮分效果及各部位溜槽是否存在堵塞現象，發現問題要及時關閉緩沖溜槽液壓插板進行處理。⑥待全部煤樣破碎縮分完畢之后，停轉破碎機，并取出樣品桶，及時交由化驗單位進一步的進行制樣化驗工作。

該采樣系統的設計與選煤廠工藝系統流程類似，操作工序相對簡單，整套系統雖然跨越3層廠房，但是由于設計合理，無需雙崗作業。操作人員按照規定流程進行操作，即可實現樣品的采集過程。同時設計有預先破碎工藝，因此除特殊情況外，設備不會出現堆煤問題，同時破碎機設有欠速保護，液壓插板設計有限位開關，設備運行過程中調度室可有效進行運行檢測，出現問題可及時向操作工反饋。

3 分煤種在線檢測系統的應用

石圪臺選煤廠上倉系統是1臺混煤膠帶機和1臺精煤膠帶機，混煤膠帶機主要運輸粒度50 mm以下、水分20%左右、灰分20%以下的均勻物料；精煤膠帶機主要運輸粒度50 mm以下、水分10%左右、灰分10%以下的均勻物料。2臺膠帶機平行并列運輸，距離相隔1 m，各自配套采樣系統、共用一套制樣系統和一臺在線測灰儀，實現了機械化采制樣與在線檢測的結合。

3.1 結構組成

分煤種上倉系統的在線檢測系統主要由各自膠帶機對應的采樣鏟、收集皮帶、灰分儀、螺桿給料機、緩沖倉、破碎機、接樣盤、儲料箱、轉載皮帶、取樣器、返料皮帶及其他封閉溜槽和箱體組成[7]，其系統結構如圖1所示。

圖1 分煤種上倉系統在線檢測系統結構Fig.1 Structure diagram of online detection system of loading system

3.2 工作過程

在選煤廠正常生產過程中，混煤膠帶機與精煤膠帶機平行運行，當需要檢測煤質的時候，逆煤流啟動采樣系統，1#采樣鏟或者2#采樣鏟將需要檢測的煤種取出經過溜槽落入收集皮帶，運輸至緩沖倉，經過破碎機破碎后落入儲料箱，儲料箱下部為矩形排料溜槽，在矩形排料溜槽上安裝有在線灰分儀，檢測結果返回集控系統。在儲料箱的下方設置螺旋給料機。緩慢均勻的將儲料箱內的物料轉排至轉載皮帶，在轉載皮帶中部設置取樣器，在運行過程中需要對在線灰分儀進行標定，通過取樣器將煤樣取出進入采樣鏟，落入接樣盤的容器中，送化驗室。當不需要對在線灰分儀進行標定時，轉載皮帶直接將棄樣運輸至機頭溜槽落入返料皮帶，返料皮帶將棄樣提升至機頭通過溜槽落入混煤煤流中，實現棄樣的回收[8-9]。

在儲料箱內設置料位計，當儲料箱滿后，發出停止采樣的信號并報警，提示崗位工進行現場查看。

混煤采樣鏟每75 s取一個初級子樣，連續取30個初級子樣后停止取樣。精煤采樣鏟每35 s取一個初級子樣，連續取30個初級子樣后停止取樣。當雙系統運行時，每個系統停止取樣20 min后再轉至另一套系統進行采樣[10]。

3.3 控制原理

分煤種在線檢測系統的控制方式靈活，可分為遠程自動、就地自動和就地手動控制3種，考慮到采樣系統的選擇又可以分為遠程雙系統自動控制、遠程單系統自動控制、就地雙系統自動控制、就地單系統自動控制和就地單設備手動控制。通過操作面板實現遠程和就地的轉換。在操作面板上還設置了旋轉選擇器用于就地選擇系統，可以選擇雙系統、混煤系統和精煤系統。遠程狀態時由調度室選擇采樣系統，啟動后自動運行。就地狀態由操作工選擇采樣系統，并選擇自動運行后啟動系統即可實現該系統的自動采樣。同時，當操作工選擇手動狀態時，可通過操作面板上的啟停按鈕單臺設備獨立運轉[11]。

3.4 系統自動采樣操作

開啟控制電源。將“手動/自動”開關打到“自動”位置，“就地/遠程”開關打到“遠程”位置，在選煤廠調度室監控界面選擇混煤系統、精煤系統或者雙系統，按下“703采樣機啟動”按鈕啟動制樣設備，系統開始運行。制樣系統按照返料皮帶、轉載皮帶、螺桿給料機、破碎機、收集皮帶的順序啟動。或將“手動/自動”開關打到“自動”位置，“就地/遠程”開關打到“就地”位置，在操作面板旋轉系統選擇，然后按下“系統啟動”按鈕啟動制樣設備，系統開始運行。在遠程或者就地狀態下“系統停止”控制系統停止運行[12-13]。

以雙系統采樣為例，主皮帶機啟動后開始計時。計時完成后，混煤采樣鏟旋轉一圈，進行一次采樣，采樣完成后定時器復位，進入下一個循環周期，采樣周期為75 s，混煤采樣鏟動作30次后，系統切換間隔時間為20 min，20 min后精煤采樣鏟開始倒計時，倒計時完成后，精煤采樣鏟旋轉一周，進行一次采樣，定時器復位，進入下一個循環周期，采樣周期為30 s。精煤采樣鏟動作30次后，20 min后混煤采樣鏟開始倒計時，以此循環。

若點擊“采樣機停止”按鈕或者現場操作面板“系統停止”按鈕，制樣系統運轉一段時間，在處理完最后一個子樣后按照采樣鏟、收集皮帶、破碎機、螺桿給料機、轉載皮帶、返料皮帶的順序停止，整個采樣過程結束。

若需留存樣品，需手動將“取樣器使能”旋鈕放在左側，“取樣器使能”指示燈亮，則取樣器動作在轉載皮帶截取煤樣。

石圪臺選煤廠裝車系統安裝了自動采樣機，工作原理與分煤種自動采樣機的單系統采樣相同，且沒有在線灰分儀，雖然極大地提高了采樣的代表性，但是灰分化驗結果滯后，不能及時用于指導生產和合理配煤。

3.5 在線測灰儀

石圪臺選煤廠原設計在線灰分儀安裝在轉載膠帶機上螺桿給料機出口和取樣器之間，使用雙γ射線在線測灰儀。其中低能量镅-241輻射能量的減弱既取決于所穿透物質的組成(密度、成分、結構等)，也取決于所穿透物質的厚度；而高能量銫-137輻射能量的減弱主要取決于所穿透物質的厚度，與物質構成關系不大。利用煤的灰分含量越大低能γ射線穿過物質的衰減程度就越大和高能γ射線的衰減量只與厚度有關的特性，通過計算可以獲得煤的灰分[14-15]。

實際生產過程中，低能量镅-241和高能量銫-137安裝位置存在一定的距離，導致二者測量的瞬時實物性質不同，影響測量精度，特別是轉載膠帶機上物料不連續或者堆放不均勻的時候，影響更大，故對灰分儀進行優化，將灰分儀安裝在了儲料箱下部的矩形排料口，這樣穿過灰分儀的厚度完全一致，只需確認低能γ射線低能量镅-241穿過煤層時能量的衰減量即可獲得煤炭的灰分，減小了測量誤差、提高了檢測精度[16-19]。

現場增加一體式計算機，并增加測量曲線二次校準功能，對不同灰分含量的煤種用不同的測量曲線；具有數據采集、存儲、歷史數據查詢等功能，更加便于管理人員就地讀取數據和標定，測量最終灰分值每秒更新1次，可以很準確地得到煤樣瞬時灰分值。實驗結果表明，采樣機取樣器所取煤樣送交化驗室化驗后兩值可比性強，提高了測量精度[20-21]。

這樣配合模式與直接安裝在主輸煤皮帶上的灰分儀相比，能為灰分儀提供更理想的測量條件，經破碎后的煤樣粒度小，質地更均勻，經整形后的煤流更平整，灰分儀測量精度大大提高[20-21]。

根據在線測灰儀使用情況，統計10月9日至12月21日顯示數據，混煤測量誤差≤0.79%；精煤測量灰分誤差≤0.37%，詳見表1、表2。

表1 混煤灰分誤差統計Table 1 Error statistics of ash content of blended coal 單位：%

表2 精煤灰分誤差統計Table 2 Error statistics of ash content of cleaned coal 單位：%

4 結論

(1)煤質數據更加準確。不論是原煤采樣機還是分煤種采樣機都可以實現對應煤種的全粒度級斷面采樣，可有效保證樣品的代表性，從而使得煤質的化驗數據更加準確，為選煤廠及時主動調整分選參數提供有力依據。

(2)減少采制樣人員編制。自動采樣系統的應用，使得選煤廠在生產過程中即可完成原煤以及分煤種產品的初步采制樣過程，檢測中心無需派駐相關人員到系統內進行采制樣，只需將樣品進行化驗前的制備工作即可，可減少相關采制樣人員3名。

(3)減少棄樣浪費。由于整套裝置安裝于選煤廠系統中，縮分過程中產生的棄樣直接回收至系統的煤流當中，不會造成任何浪費，因此大幅降低了棄樣的浪費量。

(4)穩定煤質。在線測灰系統投入運行后，可對入倉商品煤質量進行實時檢測，如出現煤質較大波動，可及時調整入洗率和分選參數，保證煤質穩定，同時也可有效降低商品煤質量過剩。

(5)減少爭議。針對單獨核算的選煤廠而言，還能夠有效地避免因為采樣方式不準確造成原煤和商品煤化驗結果不準確，從而影響價格的爭議[22]。

煤質在線檢測系統和機械化采制樣系統有機結合，實時掌握煤質情況對保證煤質穩定，減少煤灰分偏差有重要作用，建議后期通過加裝微波水分儀，實現煤質灰、水、熱值的同時測量，能夠更全面更準確地反映煤炭的瞬時指標。